Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯU VĂN DOANH

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN THỦY ĐIỆN NHỎ

VÀ NÂNG CAO ỔN ĐỊNH CHO THỦY ĐIỆN NHỎ CÓ KÊNH DẪN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã ngành: 60520202

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. Đỗ Trung Hải TS. Ngô Đức Minh

PHÒNG ĐÀO TẠO

TS. Đặng Danh Hoằng

THÁI NGUYÊN 2016

i

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi là Lưu văn Doanh, học viên lớp cao học K16 chuyên ngành Kỹ thuật điện,

sau thời gian học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ của các thầy cô giáo và đặc biệt

là Thầy giáo hướng dẫn tốt nghiệp TS. Ngô Đức Minh, em đã hoàn thành chương

trình học tập và đề tài luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu phát triển thủy điện nhỏ và

nâng cao ổn định cho thủy điện nhỏ có kênh dẫn”.

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân dưới sự hướng dẫn

của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh. Nội dung luận văn có tham khảo và trích dẫn các

tài liệu đã được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng

bất kỳ tài liệu nào khác.

Thái Nguyên, ngày 23 tháng 01 năm 2016

Học viên

Lưu Văn doanh

ii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học và làm đề tài thạc sỹ, em đã nhận được sự truyền đạt về kiến

thức, phương pháp tư duy, phương pháp luận của các giảng viên trong trường. Sự quan

tâm rất lớn của nhà trường, khoa Điện, các thầy cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công

nghiệp Thái Nguyên và các bạn cùng lớp.

Em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa đào tạo Sau đại học, các

thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện để em hoàn

thành luận văn này.

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy TS. Ngô Đức Minh và tập

thể cán bộ giảng viên bộ môn Hệ thống điện. Hội đồng bảo vệ đề cương thạc sỹ khóa

K16 - KTĐ đã cho những chỉ dẫn quý báu để em hoàn thành luận văn này.

Mặc dù đã cố gắng, xong do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc

chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong muốn sẽ nhận được những

chỉ dẫn từ các thầy, cô giáo và các bạn học để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa

hơn trong thực tiễn.

Xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Lưu Văn Doanh

iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii

MỤC LỤC................................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................v

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU ....................................................................viii

LỜI NÓI ĐẦU ..........................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG THỦY ĐIỆN NHỎ..............3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO.....................................3

1.1.1 khái niệm về năng lượng tái tạo .......................................................................3

1.1.2 Các dạng năng lượng tái tạo phổ biến..............................................................4

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1........................................................................................14

CHƯƠNG 2. THỦY ĐIỆN NHỎ.........................................................................16

2.1 TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN NHỎ ............................................................16

2.1.1 Điện thủy triều................................................................................................16

2.1.2 Thủy điện hải lưu ...........................................................................................19

2.1.3 Thủy điện sóng biển .......................................................................................21

2.1.4 Thủy điện dòng suối (kênh dẫn) ....................................................................25

2.2 MÔ HÌNH THỦY ĐIỆN NHỎ KIỂU KÊNH DẪN.........................................28

2.2.1 Giới thiệu chung.............................................................................................28

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của thủy điện nhỏ ........................................................28

2.2.3 Tính toán kỹ thuật ..........................................................................................30

2.2.4 Turbine thủy điện nhỏ ....................................................................................32

CHƯƠNG 3. MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ................................36

3.1 MÔ HÌNH MẠNG ĐIỆN THỦY ĐIỆN NHỎ .................................................36

3.1.1 Giới thiệu chung.............................................................................................36

3.1.2 Phân tích hoạt động của sơ đồ........................................................................37

3.1.3 Đề suất ứng dụng BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ ...................43

3.2 HỆ THỐNG TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG ẮC QUY (BESS) ........................43

3.3.1 Giới thiệu chung.............................................................................................43

3.3.2 Bộ biến đổi công suất.....................................................................................44

3.3.3 Điện cảm đầu ra của bộ biến đổi công suất....................................................47

3.3.4 Kho tích trữ năng lượng một chiều..................................................................48

3.3 MÔ HÌNH BESS TRONG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY ĐIỆN NHỎ ........52

3.3.1 Mô hình hóa BESS.........................................................................................52

3.3.2 Phương pháp điều khiển BESS ......................................................................57

3.3.2.1 Mô hình cấu trúc bộ điều khiển ..................................................................57

3.3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ BESS..............................................................65

3.3.4 Thiết kế bộ điều chỉnh điện áp .......................................................................72

iv

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

3.3.5 Thiết kế bộ điều khiển công suất tác dụng.....................................................74

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3........................................................................................75

CHƯƠNG 4. HÓA PHỎNG HOẠT ĐỘNG MẠNG ĐIỆN NGUỒN THỦY

ĐIỆN NHỎ.............................................................................................................76

4.1 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG.............................................................76

4.2 MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG HỆ THỐNG .......................................................82

4.2.1 Phân tích động học của bộ điều khiển dòng kiểu PI và kiểu D-B .................82

4.2.2 Phân tích chất lượng điều khiển khi hệ thống bị kích động...........................82

KẾT LUẬN CHƯƠNG 4........................................................................................86

KẾT LUẬN CHUNG ............................................................................................87

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................88

v

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1. 1 Tình hình NLTT trên toàn cầu (thống kê năm 2006)....................................3

Hình 1. 2 Minh họa sự hình thành gió...........................................................................5

Hình 1. 3 Tốc độ triển khai năng lượng gió giai đoạn 1997-2010 trên thế giới ..........5

Hình 1. 4 Các hệ thống khai thác năng lượng Mặt trời.................................................7

Hình 1. 5 Năng lượng địa nhiệt và công nghệ điện địa nhiệt......................................11

Hình 1. 6 Một số hình ảnh về thủy điện nhỏ dòng suối ..............................................13

Hình 2. 1 Một số hình ảnh về thuỷ điện thuỷ triều......................................................16

Hình 2. 2 Cơ chế vận hành turbine nước.....................................................................17

Hình 2. 3 Cơ chế vận hành turbine phát điện kiểu khí................................................18

Hình 2. 4 Một số dòng hải lưu lớn trên thế giới..........................................................19

Hình 2. 5 Trạm phát điện hải lưu SeaGen, Bắc Ailen.................................................19

Hình 2. 6 Mô tả năng lượng của sóng biển nhà máy thuỷ điện sóng biển..................21

Hình 2. 7 Máy phát điện sóng biển cánh ngầm...........................................................22

Hình 2. 8 Mô tả nguyên lý hoạt động của phương pháp Cockrell Raft ......................22

Hình 2. 9 Cơ cấu DEXA 2 phao..................................................................................23

Hình 2. 10 Mô tả sự truyền lực trong DEXA Converler trong suốt ¼ chu kỳ sóng ...23

Hình 2. 11 Mô tả quan hệ lực tạo ra với bước sóng....................................................24

Hình 2. 12 Mô tả nguyên tắc sinh công.......................................................................24

Hình 2. 13 Một số hình ảnh về nhà máy thuỷ điện kênh dẫn......................................26

Hình 2. 14 Mô hình nhà máy thuỷ điện kênh dẫn ......................................................27

Hình 2. 15 Mô hình trạm thủy điện nhỏ......................................................................28

Hình 2. 16 Mô tả sự biến đổi năng lượng mà turbine nhận được ...............................29

Hình 2. 17 Minh họa các giá trị HG và HN ................................................................29

Hình 2. 18 Biểu diễn quan hệ tổn thất đường ống phụ thuộc loại ống .......................30

vi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2. 19 Phương pháp đo lưu tốc ............................................................................32

Hình 2. 20 Mô hình turbine Pelton nhiều vòi phun.....................................................33

Hình 2. 21 Turbine Right-Angle-Drire .......................................................................35

Hình 3. 1 Mô hình tổng quát mạng điện cục bộ nguồn thủy điện nhỏ........................36

Hình 3. 2 Mô hình một số của trạm thủy điện nhỏ kênh dẫn......................................37

Hình 3. 3 Đặc tính ổn định tần số theo tải...................................................................38

Hình 3. 4 Mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ có BESS..................................................43

Hình 3. 5 Mô hình mạch lực của BESS ......................................................................44

Hình 3. 6 Cấu trúc và ký hiệu IGBT ...........................................................................44

Hình 3. 7 Sơ đồ khai triển cấu tạo và mô tả nguyên lý làm việc của IGBT ...............45

Hình 3. 8 Đặc tính đóng mở van IGBT.......................................................................46

Hình 3. 9 Sơ đồ tương đương của ắcquy.....................................................................49

Hình 3. 10 Quá trình phóng điện ắcquy phụ thuộc vào dòng phóng ..........................50

Hình 3. 11 Sự phụ thuộc của công suất vào dòng điện phóng ....................................52

Hình 3. 12 Mô tả BESS trong mạng điện nguồn thủy điện nhỏ..................................52

Hình 3. 13 Sơ đồ thay thế bộ biến đổi BESS ..............................................................53

Hình 3. 14 Mô hình tín hiệu trung bình bộ biến đổi BESS trong tọa độ abc .............54

Hình 3. 15 Mô hình bộ biến đổi BESS trong hệ tọa độ quay dq tựa điện áp lưới ......56

Hình 3. 16 Mô hình bộ biến đổi BESS trong miền toán tử Laplace ..........................56

Hình 3. 17 Cấu trúc điều khiển hệ BESS trong mạng điện cục bộ thủy điện nhỏ ......57

Hình 3. 18 Biểu diễn các đại lượng vector trên tọa độ dq tựa điện áp........................58

Hình 3. 19 Cấu trúc khối đồng bộ tựa điện áp lưới PLL.............................................59

Hình 3. 20 Dạng tín hiệu tựa đồng bộ điện áp lưới có được bằng kết quả mô phỏng 60

Hình 3. 21 Tám khả năng chuyển mạch trong bộ biến biến đổi van..........................62

Hình 3. 22 Vị trí các vector chuẩn trên hệ toạ độ αβ ..................................................63

Hình 3. 23 Tổng hợp vector chuẩn trong sector 1.......................................................63

vii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3. 24 Thời gian đóng/cắt mỗi van trong sector 1 ...............................................64

Hình 3. 25 Mô phỏng dạng sóng biến điệu vector SVM ............................................65

Hình 3. 26 Cấu trúc khử tương tác 2 thành phần dòng iBd và iBq.............................66

Hình 3. 27 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu PI cho bộ biến đổi BESS.....................67

Hình 3. 28 Cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện kiểu Dead-Beat......................69

Hình 3. 29 Đáp ứng động học giữa tín hiệu đặt và thực đối với bộ điều chỉnh Dead-Beat..........70

Hình 3. 30 Cấu trúc bộ điều chỉnh dòng kiểu Dead-Beat ...........................................71

Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển công suất tác dụng ....................................................75

Hình 4. 1 Mô hình mô phỏng hệ BESS trong MĐTĐN công suất 85 kVA ...............76

Hình 4. 2 Cấu trúc nguồn thủy điện 85 kVA-0,4kV ...................................................77

Hình 4. 3 Cấu trúc mạch lực của BESS ......................................................................79

Hình 4. 4 Khối đo lường..............................................................................................80

Hình 4. 5 Cấu trúc bộ điều khiển vòng ngoài cho bộ điều dòng điện kiểu D-B.........81

Hình 4. 6 Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện vòng trong kiểu D-B .............................81

Hình 4. 7 So sánh đáp ứng động học của bộ điều chỉnh PI và D-B............................82

Hình 4. 8 Mô phỏng trị hiệu dụng điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm

thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B..................................................................83

Hình 4. 9 Mô phỏng trị tức thời điện áp trên tải trong các chế độ mất nguồn tạm thời ..........83

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B .........................................................................83

Hình 4. 10 Mô phỏng dòng điện phóng nạp của ắcquy trong các chế độ mất nguồn

tạm thời trường hợp dùng bộ điều khiển D-B...........................................................84

Hình 4. 11 Biên dạng dòng điện 3 pha trên tải, trường hợp dùng bộ điều khiển D-B84

Hình 4. 12 Kiểm tra THD cho dòng điện tải do BESS cấp tại thời điểm 0,6s..........85

trường hợp dùng bộ điều khiển D-B .........................................................................85

Hình 4. 13 Mô phỏng chế độ BESS khi bù công suất đỉnh khi động cơ khởi động .85

viii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1. 1 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời................................7

Bảng 1. 2 Tỷ lệ năng lượng của một số cây trồng.............................................. 10

Bảng 2. 1 Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước ....................... 27

Bảng 3.1. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 40

Bảng 3.2. Các số liệu tính toán mạng điện ........................................................ 42

Bảng 3. 3 Bảng thời gian đóng/cắt cho các van bán dẫn trong mỗi sector ........... 65

Bảng 4. 1 Thông số mạch điều khiển turbine thủy điện...................................... 77

Bảng 4. 2 Thông số mạch điều khiển dòng kích từ máy phát.............................. 78

Bảng 4. 3 Thông số đường dây......................................................................... 78